Получение и комплексная оценка свойств минералнаполненных композитов на основе полимеров – полиметилметакрилата и сверхвысокомолекулярного полиэтилена, для костной пластики в челюстно-лицевой области - Автореферат
Определение оптимального состава биостабильных минералнаполненных композитных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полиметилметакрилата для замещения костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии. Оценка их механических свойств.
Аннотация к работе
Специальность - Стоматология на тему: Получение и комплексная оценка свойств минералнаполненных композитов на основе полимеров - полиметилметакрилата и сверхвысокомолекулярного полиэтилена, для костной пластики в челюстно-лицевой областиРабота выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет Росздрава» Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор, зав. кафедрой детской хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии МГМСУ Топольницкий Орест Зиновьевич, доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры биологии, паразитологии и генетики ММА им. Защита состоится __________2008 года в______часов на заседании диссертационного совета Д 208.041.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет Росздрава» по адресу: 127473, Москва ул.В результате введения ГАП-уд в состав СВМПЭ его высокотемпературная деформация существенно снижается, достигая 40%, что обусловлено повышением вязкости композиции вследствие значительно более высокого насыпного объема ГАП-уд изза его низкой плотности по сравнению с ГАП-д. После кипячения твердость образца СВМПЭ с ГАП-д снижается, изменения в образце с ГАП-уд отсутствуют, а показатели микротвердости уменьшаются у всех образцов. Костно-фиброзная интеграция имплантатов из композитов ПММА ГАП-д и ПММА ГАП-уд. проявляется через 2 месяца после операции в области шурупов, которые плотно прикрепляют имплантат к кости. При введении ГАП-уд в состав СВМПЭ его высокотемпературная деформация продолжает снижаться вследствие дальнейшего повышения вязкости композиции, и обусловлено низкой плотностью ГАП-уд по сравнению с ГАП-д. Более дефектная структура композита с ГАП-уд по сравнению с ГАП-д приводит к понижению показателей прочности и ударной вязкости композитов с ГАП-уд, среди которых лучшие результаты имеет композит ПММА со смесью 24% ГАП-д 6%ГАП.При введении ГАП-уд в состав СВМПЭ высокотемпературная его деформация продолжает снижаться, достигая 40%, что связано с дальнейшим повышением вязкости композиции. Введение ГАП-уд приводит к значительному уменьшению эффекта вспучивания при 100-110°С, что может быть обусловлено, как это было показано методом электронной сканирующей микроскопии, значительной пористостью образца СВМПЭ ГАП-уд. Введение смесей (ГАП-д и ГАП-уд), даже при 50% содержании ГАП-уд практически полностью нивелирует разницу в плотностях между композитами, наполненными ГАП разного гранулометрического состава. Сравнительные испытания композиций мононаполненных (ПММА ГАП-д; ПММА ГАП-уд) и смесевых (ПММА ГАП-д 15% ГАП-уд 15%; ПММА 24% ГАП-д 6%ГАП-уд) показали, что лучшие результаты по комплексу свойств имеют композиты, наполненные ГАП-д. Это приводит к понижению показателей прочности и ударной вязкости композитов с ГАП-уд, среди которых лучшие результаты имеет композит ПММА со смесью 24% ГАП-д 6%ГАП-уд.
Вывод
В результате исследования было установлено, что введение в состав СВМПЭ 30% ГАП-д приводит к некоторому вспучиванию образца при температурах близких к температуре плавления кристаллической части полимера ПЭ (~ 100-110°С). При температурах течения образца СВМПЭ - 120-200°С введение ГАП-д приводит к заметному снижению деформации
(~ 50% до 45%), что связано с повышением вязкости деформируемой системы в связи с введением жесткого минерального наполнителя - ГАП. (рис 1).
При введении ГАП-уд в состав СВМПЭ высокотемпературная его деформация продолжает снижаться, достигая 40%, что связано с дальнейшим повышением вязкости композиции. Вероятно, это обусловлено значительно более высоким насыпным объемом ГАП-уд (изза низкой плотности) по сравнению с ГАП-д. Введение ГАП-уд приводит к значительному уменьшению эффекта вспучивания при 100-110°С, что может быть обусловлено, как это было показано методом электронной сканирующей микроскопии, значительной пористостью образца СВМПЭ ГАП-уд.
Наиболее интересным фактом является снижение плотности композиции с 1,18 г/см3 до 1,08 г/см3 при введении ГАП-уд, несмотря на значительно больший насыпной объем (Табл.1).
Таблица 4. Изменение плотности композиции СВМПЭ 30% ГАП
№ № п/п Наименование образца Плотность исходных образцов в изопропиловом спирте, г/см3 Плотность образцов после кипячения в воде в изопропиловом спирте, г/см3
1. СВМПЭ 30% ГАП-д 1,182 1,184
2. СВМПЭ 30% ГАП-уд 1,080 1,080
3. СВМПЭ 15% ГАП-д 15% ГАП-уд 1,176 1,177
4. СВМПЭ 30% (80% ГАП-д 20% ГАП-уд) 1,182 1,183
Это, вероятно, обусловлено, более низкой плотностью самого порошка ГАП-уд и значительной пористостью образца композита. Введение смесей (ГАП-д и ГАП-уд), даже при 50% содержании ГАП-уд практически полностью нивелирует разницу в плотностях между композитами, наполненными ГАП разного гранулометрического состава. Вероятно, строение смесевых композитов обусловлено как природой наполнителя, так и способом его введения. ГАП-д и ГАП-уд обладают высокой поверхностной энергией, что предопределяет их активное взаимодействие с образованием смесевых ассоциатов.
Было установлено, что в образцах минералнаполненного композита СВМПЭ величина показателя твердости имеет тенденцию увеличения в образцах с ГАП-уд по сравнению с ГАП-д (табл 2)
Таблица 2. Изменение твердости и микротвердости композитов на изгиб
Исходные образцы Образцы после кипячения
№ № п/п Наименование образца Твердость по Бринеллю, кг/мм2 Микротвердость при Р=20 гр., кг/мм2/ глубина внедрения, мкм Твердость по Бринеллю, кг/мм2 Микротвердость, кг/мм2/ глубина внедрения, мкм
Причины этого, вероятно, те же, что и в случае измерения предела прочности при изгибе. В то же время величина микротвердости одинакова у всех исходных образцов. Это определяется тем, что в отличие от твердости, в случае микротвердости исследуется только поверхностный слой, обогащенный полимером.
При кипячении, как и в случае определения прочности, снижается твердость образца с ГАП-д и практически сохраняются прежние результаты в образце с ГАП-уд. Более значительные изменения происходят с показателями микротвердости. После кипячения этот показатель снижается у всех образцов. Этот факт свидетельствует о том, что при кипячении вода в первую очередь проникает в поверхностные слои образцов по микроканалам, образованным в ассоциатах ГАП и в зоне «интерфейса» СВМПЭ - ГАП, несколько разрыхляя и пластифицируя поверхностный слой.
Заметные изменения поверхности наполненных различными типами ГАП образцов после кипячения потребовали проведения исследования поверхности методом измерения краевого угла смачивания (КУС). Используемая в работе методика определения КУС при различном времени пребывания капли на поверхности образца позволяет делать вывод не только о краевом угле смачивания, но и о структуре поверхностного слоя. В случае с ГАП-уд размеры наполнителя чрезвычайно малы (~ наноразмеры), порошок имеет значительно больший насыпной объем. Можно предположить, что в процессе полимеризации высокополярный олигомер сорбируется на активированной наноразмерной поверхности ГАП-уд. В результате частицы ГАП-уд находятся в более плотной полимерной оболочке, что, несмотря на большее количество, по сравнению с ГАП-д, пор они имеют гораздо более мелкие размеры, и это приводит к плавному снижению КУС.
Подобное различие определяет разницу в комплексе свойств: более высокие прочностные свойства при введении крупных, армирующих частиц ГАП-д в полимер и, в то же время, обеспечение более легкого доступа молекул воды в массу полимера вследствие наличия крупных микротрещин во всем объеме образцов и на его поверхности. Это приводит к более значительному снижению показателей физико-механических свойств (кроме ударной вязкости) при кипячении. Этот показатель является наиболее критичным и определяет саму возможность применения исследуемых имплантатов для челюстно-лицевой хирургии.
Сравнительные испытания композиций мононаполненных (ПММА ГАП-д; ПММА ГАП-уд) и смесевых (ПММА ГАП-д 15% ГАП-уд 15%; ПММА 24% ГАП-д 6%ГАП-уд) показали, что лучшие результаты по комплексу свойств имеют композиты, наполненные ГАП-д. Они имеют более высокую прочность (~660 кг/см2), плотность (1,34 - 1,35 г/см3), микротвердость (~ 30 кг/мм2) и достаточный показатель ударной вязкости (2,4 КДЖ/м2), который заметно возрастает после кипячения: до 2,75 КДЖ/м2. По всем эти показателям композиты с наполнителем ГАП-д превосходят исследованные композиты с ГАП-уд.
Причины подобной разницы обусловлены, вероятно, размерными и структурными факторами.
Судя по заметно пониженной величине плотности композита с ГАП-уд по сравнению с ГАП-д (1,3 г/см3 и 1,35 г/см3) соответственно, а также по характеру порообразования, характеризующемуся микропорами и лучшим распределением ультрадисперсных частиц по объему образца, формирующаяся структура композита становится более дефектной по сравнению с ГАП-д. Это приводит к понижению показателей прочности и ударной вязкости композитов с ГАП-уд, среди которых лучшие результаты имеет композит ПММА со смесью 24% ГАП-д 6%ГАП-уд. За счет проявления эффекта неаддитивности, связанного с тем, что частицы ГАП-уд в большем количестве распределяются внутри ассоциатов ГАП-д, показатели этого композита более близки к показателям композита с ГАП-д, а по показателю ударной вязкости (2,55 КДЖ/м2) превосходят аналогичный показатель ГАП-д (2,3 и 2,4 КДЖ/м2).
Данные исследования физико-механических свойств композитов СВМПЭ и ПММА наполненных ГАП с частицами разного размера являются важным, но не единственным показателем, определяющим перспективу применения этих композитов в клинической практике. Необходимость исследования остеоинтегративных свойств минералнаполненных композитов определило проведение второй части нашей работы. Явления биосовместимости, остеинтегративности и других свойств минералнаполненных полимеров изучены с помощью сканирующей электронной и световой микроскопии.
Проведенное исследование показало, что композит из «чистого» ПММА, то есть без ГАП, не препятствует образованию костной ткани в области дефекта в процессе регенерации. Вместе с тем, «чистый» акрилат не образует соединения с формирующейся костной тканью. Об этом свидетельствует наличие пространства по всей поверхности имплантата, в виде щели, заполненной соединительной тканью (рис. 2), то есть капсулой.
Рис. 2. 1-я группа. Имплантация «чистого» ПММА. Пространство (-) между имплантатом из чистого ПММА. Эксперимент 2 месяца. СЭМ. Ув. 22,2.
Наличие признаков костно-фиброзной интеграции имплантатов из композита ПММА ГАП-д обнаружено через 2 месяца после операции. Сходные результаты получены в 3-й группе, в которой кроликам имплантировали композит из ПММА ГАП-уд. При этом площадь интеграции через 2 месяца была невелика, а костно-фиброзная интеграция выявлялась, как и в предыдущей группе, в области шурупов, которые плотно прикрепляли имплантат к кости. При сравнении 2-й и 3-й групп эксперимента значительного различия в процессе остеоинтеграции не обнаружено. Следовательно, если не проводить количественной оценки площади остеоинтеграции методом сканирующей микроскопии, можно сделать заключение о том, что основным фактором, определяющим усиление интеграции имплантата с формирующейся костью, является наличие ГАП, а не его гранулометрический состав, то есть размеры частиц минерала.
При использовании имплантатов, содержащих 15% ГАП-д и 15% ГАП-уд, выявлено, что костный компонент интеграции обусловлен прямым контактом минерализованных костных структур с поверхностью композита.
Рис.3. 4-я группа. Имплантация ПММА 15% ГАП-д и 15%ГАП-уд Костная структура, контактирующая с внутренней поверхностью имплантата в области шурупа. Эксперимент 1 месяц. СЭМ. Ув. 203.
Это проявляется через 2 месяца после операции, а через 1 месяц существенного различия с двумя предыдущими группами не было, на что указывает наличие пространства в виде щели между имплантатами и костными структурами. По краю щели выявляются многочисленные прободающие волокна, расположенные параллельно прилежащей поверхности имплантатов. Таким образом, интеграция с костью имплантатов из ПММА содержащего ГАП увеличивается несколько более значительно при сочетании дисперсного и ультрадисперсного ГАП. Отмечено, что врастание кости в пространство между резьбой шурупов и имплантатом в отдельных случаях отсутствовало тогда, когда костные структуры резорбировались на всю толщину нижней челюсти с образованием пространства по периметру шурупов, заполненного неминерализованной соединительной тканью без элементов костной ткани. Данное явление не зависело от наличия в композите ГАП и его гранулометрического состава. Вероятно, что на сильно выступающий над костью фрагмент шурупа воздействуют мышцы во время движения челюсти. Возникающие при этом микродвижения между костными структурами и шурупом препятствуют формированию костной ткани и наступлению остеоинтеграции.
Признаки костно-фиброзной интеграции в группах 2, 3 и 4 в исследованных образцах проявлялись там, где титановые шурупы фиксируют имплантаты к кости. Костные напластования на наружную поверхность имплантатов увеличивались с 1-го до 2-го месяца опыта. По интенсивности интеграции композита с образующейся костной тканью в процессе регенерации челюсти группы можно расположить по возрастанию в следующем порядке: 1, (2 и 3 в равной степени), 4. Продолжительность эксперимента в 2 месяца была достаточной для сравнения характера взаимодействия композитов ПММА/ГАП и регенерирующей костной тканью нижней челюсти кролика. Как показывают результаты исследования тканевого материала, полученного от животных контрольной группы, ответы тканевых элементов на имплантацию пластин из композиции «чистого» ПММА могут быть квалифицированы как воспалительно-деструктивный процесс. Эти реакции в периимплатационной зоне, возможно, обусловлены выходом из композиции растворимых химических веществ, которые сохраняются даже после длительного кипячения композита в воде. Эти вещества повреждают тканевый субстрат, окружающий имплантат. Одновременно с этим в тканях имплантационного ложа наблюдались и процессы новообразования костной субстанции, особенно активирующиеся через 2 месяца после имплантации композита.
Во 2-й группе, где использовался ПММА с 30% ГАП-д, реакция окружающих тканей через 1 месяц опыта была примерно такая же, как и в контрольной группе, проявления воспалительно-деструктивных изменений сохранялись, но процессы дифференцировки в костных структурах протекали значительно быстрей. В мягких тканях наружной стенки имплантационного ложа наблюдалась организация и частичное восстановление клеточных и волокнистых структур. Однако развитие патологических изменений в тканях приводило к определенной модификации указанных процессов, по сравнению с контрольной группой. Другая особенность, характерная для 2-й группы, заключалась в заметном сужении слоя материнской кости. Местами она была представлена одной лишь кортикальной пластиной и отделялась от имплантата слоем новообразованной кости и соединительнотканной прослойкой. Тем не менее, наружный край материнской кости, определяемый по базофильной линии склеивания, был ровным, что свидетельствовало против развития в этой области выраженных резорбтивных процессов. Возможно, что истончение материнской кости происходило в результате ее инволюции, атрофии от сдавливания.
Для группы наблюдений, где использован ГАП-уд, были характерны более умеренные, чем в группе ГАП-д, проявления воспалительно-деструктивных изменений, более высокая активность остеогенетических процессов в области контакта имплантата с челюстью и интенсификация созревания новообразованной костной ткани. При подсадке же в область дефекта нижнечелюстной кости имплантатов из композиции ПММА, связанного с 15% ГАП-д и 15% ГАП-уд, было обнаружено: - падение интенсивности патогенных эффектов;
- усиление, по сравнению с другими группами опыта, интеграции имплантатов в окружающие тканях;
- повышение остеогенетического потенциала костной ткани.
По степени убывания неблагоприятных эффектов от воздействия на окружающие ткани имплантатов и по эффективности инициирования построения костной ткани их можно расположить в следующий ряд: 1 - 2 - 3 - 4.
«Чистый» ПММА (1) не обладает остеоинтегративной активностью, но и не препятствует регенерации костной ткани в области дефекта. Изменения в окружающих тканях в этой группе квалифицируются как воспалительно-деструктивный процесс. ПММА-д (2) способствует заживлению костного дефекта и интеграции с костью, но, вместе с тем, вызывает умеренно выраженную воспалительно-дистрофическую реакцию. ПММА-уд вызывает сходную реакцию, но его остеоинтегративная активность несколько выше, чем при использовании ПММА-д. Имплантаты из ПММА содержащие дисперсный и ультрадисперсный ГАП (4) более эффективно чем (2 и 3) способствуют заживлению костного дефекта и интеграции с регенерирующей костью. При имплантации этого материала в область дефекта челюсти воспалительно-дистрофическая реакция в окружающих тканях выражена слабо.
Заключение Введение в состав биостабильных полимеров (СВМПЭ и ПММА) кристаллов синтетического ГАП в определенной степени приближает их физико-механические свойства к нативной кости. Оптимальное количество ГАП в композитах составляет 30% по весу. При этом такие показатели как: предел прочности при изгибе, удельная ударная вязкость, микротвердость поверхности образцов и их твердость, термические характеристики текучести полимерных систем, величина краевого угла смачивания являются оптимальными при использовании дисперсного минерального наполнителя (ГАП-д), или сочетании ГАП-д и ГАП-уд с существенным преобладанием дисперсного наполнителя. Однако для практической работы не меньшее значение имеют показатели биосовместимости и остеоинтегративной активности минералнаполненных биостабильных полимеров. Данные показали, что лучшими для ПММА эти показатели становятся при наполнении ГАП-д и ГАП-уд (по 15% от веса композита). Таким образом, достигнут определенный компромисс между физико-механическими и медико-биологическими свойствами композиционного биостабильного материала, планируемого для изготовления имплантатов в челюстно-лицевую область.
1. Физико-механические и остеоинтегративные свойства биостабильных полимеров: сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полиметилметакрилата, используемых в качестве имплантационного материала в челюстно-лицевой области, могут быть существенно улучшены путем введения в их состав 15% дисперсного и 15% ультрадисперсного гидроксиапатита.
2. Введение в состав СВМПЭ 30% ГАП-д приводит к некоторому вспучиванию образца при температурах близких к температуре плавления кристаллической части полимера ПЭ (~ 100-110°С). При температурах течения образца СВМПЭ - 120-200°С введение ГАП-д вызывает снижение его деформации (с 50% до 45%), что связано с повышением вязкости деформируемой системы в связи с введением жесткого минерального наполнителя - ГАП-д.
3. При введении ГАП-уд в состав СВМПЭ его высокотемпературная деформация продолжает снижаться, достигая 40%, что связано с дальнейшим повышением вязкости композиции и обусловлено значительно более высоким насыпным объемом ГАП-уд изза его низкой плотности по сравнению с ГАП-д. Введение ГАП-уд приводит к существенному уменьшению эффекта вспучивания образца при 100-110°С, что может быть обусловлено значительной пористостью образца СВМПЭ ГАП-уд.
4. После кипячения твердость образца СВМПЭ с ГАП-д снижается, изменения в образце с ГАП-уд отсутствуют, а показатели микротвердости уменьшаются у всех образцов. Характер порообразования и распределения ультрадисперсных частиц по объему образца ПММА говорит о более дефектной структуре композита с ГАП-уд по сравнению с ГАП-д. Это приводит к понижению показателей прочности и ударной вязкости композитов с ГАП-уд,.
5. Признаки костно-фиброзной интеграции имплантатов из композитов ПММА ГАП-д и ПММА ГАП-уд. проявляются через 2 месяца после операции главным образом в области шурупов, которые прикрепляют имплантат к кости. При использовании имплантатов из ПММА, содержащих 15% ГАП-д и 15% ГАП-уд, через 2 месяца после операции костный компонент интеграции обусловлен прямым контактом минерализованных костных структур с поверхностью композита.
6. Композит ПММА с ГАП-уд обладает повышенной активностью остеогенетических процессов в области контакта имплантата с челюстью и интенсификации созревания новообразованной костной ткани.
7. По степени убывания неблагоприятных эффектов от воздействия имплантатов на окружающие ткани и по эффективности инициирования построения костной ткани их можно расположить в следующий ряд: «чистый» ПММА (1), ПММА 30%ГАП-д (2), ПММА 30%ГАП-уд (3), ПММА 15% ГАП-д и 15% ГАП-уд (4).
Практические рекомендации.
1. С целью оценки перспективности применения биостабильных композиционных материалов, наполненных гидроксиапатитом, для изготовления имплантатов в челюстно-лицевую область, рекомендуется проведение исследований в 2 этапа. На 1-м этапе проводится лабораторное изучение физико-механических параметров композита, включающих такие показатели как: предел прочности при изгибе, удельная ударная вязкость, микротвердость и твердость поверхности образцов, термические характеристики текучести полимерных систем, величина краевого угла смачивания. На 2-м этапе в эксперименте на животных оценивается остеоинтегративная способность композитов с помощью сканирующей электронной микроскопии, а также патоморфологического исследования.
2. Оптимальное соотношение позитивных и негативных физико-химических и медико-биологических свойств биостабильных полимеров позволяет рекомендовать для челюстно-лицевой хирургии имплантационный материал на основе композитов, содержащих 15% ГАП-д и 15% ГАП-уд в химической связи с полимером.
Опубликованные работы по теме диссертации
1. Лазарев А.Ю. Особенности структуры композита для костной пластики: полиметилметакрилат - гидроксиапатит в зависимости от гранулярного состава минерала. Материалы третьей международной конференции в аспекте учения В.И.Вернадского. Москва, 10-12 октября 2005 года. М., 2005, С 229-230.
2. Лазарев А.Ю., Воложин А.И., Чергештов Ю.И. Влияние дисперсности гидроксиапатита на термомеханические свойства наполненного сверхвысокомолекулярного полиэтилена // В кн.: Актуальные вопросы стоматологии. Материалы межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 100-летию создания Саратовского одонтологического общества. Изд-во Саратовского медицинского университета, 2005, С 124-125.
3. А.И.Воложин, Ю.И.Чергештов, А.С.Григорьян, А.П.Краснов, А.Ю.Лазарев. Комплексная морфологическая оценка тканевых реакций на минералнаполненный полиметилметакрилат для костной пластики в челюстно-лицевой области в эксперименте // Журнал Cafhedra, 2008, т 7, № 1, С 10-14.